JP4946642B2 - 高調波電流補償装置 - Google Patents

Description

本発明は、系統電源に接続された負荷により発生する高調波電流を抽出して、系統の高調波成分を補償する高調波補償装置（アクティブフィルタ）、またはアクティブフィルタ機能を持つ並列型瞬低補償装置における高調波電流補償制御に係り、特にアクティブフィルタからＡＣフィルタを介して高調波補償電流を出力する装置の電流制御に関するものである。

一般に、電力系統においては、系統電源に接続された負荷が発生する高調波電流を補償するアクティブフィルタや、アクティブフィルタ機能を併せ持つ並列型瞬低補償装置などが用いられている。

アクティブフィルタ機能を併せ持つ並列型瞬低補償装置の主回路構成例を図３に示す。平常時は、高速スイッチ１０を介して電力系統から負荷に電力を供給する。この状態では、インバータ等で構成される交直双方向変換装置２０は、アクティブフィルタ機能により負荷から発生する高調波電流を補償、電気二重層キャパシタ３０を浮動充電、または停止状態で待機する。また、交直双方向変換装置２０は、電力系統の停電時には、高速スイッチ１０が切り離されたとき、電気二重層キャパシタ３０に蓄積された直流電力を交流電力に変換し、負荷へ無瞬断で電力を供給する。交直双方向変換装置２０からはＡＣフィルタ４０を通して負荷に高調波補償電流を供給する。

次に、平常時のアクティブフィルタ機能の制御について記述する。図４に、アクティブフィルタ機能を有する並列型瞬低補償装置の制御装置の回路構成を示す。平常時において、負荷が発生する高調波電流を検出する検出手段と、高調波成分を抽出して系統の高調波成分を補償する電流を供給する自励式変換装置とを備える。

制御装置５０には、系統電圧Ｖｓ、系統電流Ｉｓ、負荷電流ＩＬｏａｄ、負荷電圧ＶＬｏａｄ、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ０、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ１の各検出器５１〜５６を持つ。検出した系統電圧Ｖｓは、ＰＬＬ回路５７により系統電源の位相θが検出され、正弦波発生器５８により基準電圧指令値として位相θのｓｉｎθ成分及びｃｏｓθ成分を生成する。指令値作成ブロック５９では、検出した系統電圧Ｖｓ、系統電流Ｉｓ、負荷電流ＩＬｏａｄ、負荷電圧Ｖｌｏａｄ、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ０、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ１から高調波補償電流の指令値を作成する。そして、パルス幅変調ブロック（ｐｕＩｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕＩａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）６０により高調波補償電流指令値をＰＷＭ変調し、交直双方向変換装置２０のＰＷＭインバータ制御で高調波補償電流出力を得る。このＰＷＭ制御出力から、ＡＣフィルタ３０でＰＷＭキャリア信号成分を除去する。

負荷が発生する高調波電流の補償を行う電流指令生成手段（指令値作成ブロック５９）としては、負荷電流検出型一括高調波検出による補償方法があり、その一例を図５のブロック図に示す。検出した負荷電流ＩＬｏａｄに対して、検出した電源位相θのｓｉｎθ成分及びｃｏｓθ成分を使用して３φ／ｄｑ座標変換部６１でｄｑ軸への座標変換を行い、この変換したｄ軸、ｑ軸成分からローパスフィルタ６２，６３によって検出する基本波成分を引き算することで高調波成分のみを抽出し、さらにｄｑ／３φ座標変換部６４によって逆ｄｑ座標変換を行い、これに充電指令値を加算して高調波を補償する電流指令値Ｉｒｅｆ０を得る。そして、電流指令値Ｉｒｅｆ０がインバータ出力電流Ｉｉｎｖ０に一致するようにＡＣＲ（自動電流制御）６５で電流制御演算を行い、このＡＣＲ出力に基準電圧指令値を加算することで、電圧指令値を作成する。

ここで、インバータと負荷の間には、ＰＷＭ変調に用いるキャリア成分を除去するために、ＬＣＬ型やＬＣ型のＡＣフィルタ４０を介挿する。図６にＴ型のＬＣＬ構成のＡＣフィルタの例を示す。ＡＣフィルタを介挿する場合、ＡＣフィルタにおけるコンデンサＣｆに流れる電流の影響によって、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ１を電流指令値Ｉｒｅｆ通りにすることができない。この結果、アクティブフィルタ機能による高調波補償を行う場合には、高調波補償率が低下してしまうという問題が生じる。

そこで、下記の特許文献１ではＡＣフィルタを考慮した電流指令値Ｉｒｅｆ１を作成する。この制御方法は、インバータと負荷の間にＡＣフィルタを設置する場合に生じるＡＣフィルタの負荷側のインバータ出力電流Ｉｉｎｖ１と電流指令値の電流誤差を、ＡＣフィルタの回路定数から予め算出しておいたＡＣフィルタの影響を除去する伝達関数を用いて補償を行う。ＡＣフィルタ回路定数は、Ｌ１：ＡＣフィルタの負荷側インダクタンス［Ｈ］、Ｌ２：ＡＣフィルタの入力側インダクタンス［Ｈ］、Ｃｆ：ＡＣフィルタのコンデンサ容量［Ｆ］、Ｒｆ：ＡＣフィルタの抵抗値［Ω］とする。

図７に特許文献１における指令値作成ブロック図を示す。負荷電圧検出値Ｖｌｏａｄと電流指令値Ｉｒｅｆ０に対して、ＡＣフィルタの影響を除去する伝達関数Ｇ（ｓ）を持つ演算要素６６、及び伝達関数Ｈ（ｓ）をもつ演算要素６７を乗じてそれぞれを加算し、これを電流指令値Ｉｒｅｆ１として、ＡＣＲ制御を行い、基準電圧指令値を加算することで、指令値を作成する。
特開２００４−２５４４２９

特許文献１では、インバータと負荷の間にＡＣフィルタを介挿する場合、コンデンサＣｆに流れる電流の影響によって生じるＡＣフィルタ負荷側のインバータ出力電流Ｉｉｎｖ１と電流指令値の電流誤差を、ＡＣフィルタの回路定数から予め算出しておいた伝達関数を用いて補償を行う。

ここで、ＡＣフィルタ回路定数は、インダクタンス値Ｌ１，Ｌ２［Ｈ］、コンデンサ容量Ｃｆ［Ｆ］、抵抗値Ｒｆ［Ω］から構成されており、実際には、これらの定数には誤差があり、さらには経年劣化とともに定数が変化するといった問題がある。その結果、予め算出する伝達関数に用いたＡＣフィルタ回路定数と、実際のＡＣフィルタの回路定数が不一致となり、制御精度に影響を及ぼすことになる。

本発明の目的は、アクティブフィルタと負荷の間に介挿するＡＣフィルタの回路定数が設計値とは異なる値になった場合にも、電流指令値通りに常に高調波補償電流を一致させた高精度制御ができる高調波電流補償装置を提供することにある。

本発明は、アクティブフィルタと負荷の間にＡＣフィルタを介挿した装置において、ＡＣフィルタ回路定数から予め算出した伝達関数から、無限インパルス応答（ＩＩＲ：ｉｎｆｉｎｉｔｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタを作成し、負荷電圧Ｖｌｏａｄと電流指令値Ｉｒｅｆ０に対して、それぞれの伝達関数から作成したＩＩＲフィルタでフィルタ処理を施すことにより、ＡＣフィルタの介挿による電流誤差を補償する。そして、目標値である電流指令値Ｉｒｅｆ０と実際のＡＣフィルタ出力電流Ｉｉｎｖ１の二乗誤差が最小になるように、ＩＩＲフィルタの係数（ＡＣフィルタの回路定数）を逐次増減制御することにより、ＡＣフィルタの回路定数が設計値とは異なる値になった場合にも、電流指令値通りに常に高調波補償電流を一致させた高精度制御ができるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）系統電源に接続された負荷により発生する高調波電流を抽出し、この高調波電流をアクティブフィルタの高調波補償電流指令値にし、アクティブフィルタからＡＣフィルタを介して高調波補償電流を出力する高調波電流補償装置において、
負荷電圧Ｖｌｏａｄと高調波補償電流指令値Ｉｒｅｆ０に対して、ＡＣフィルタの回路定数で決まる係数をもつ伝達関数を有するＩＩＲフィルタ処理を行い、高調波補償電流指令値Ｉｒｅｆ０とＡＣフィルタの出力電流Ｉｉｎｖ１の電流誤差を補償するＩＩＲフィルタと、
高調波補償電流指令値Ｉｒｅｆ０と実際のＡＣフィルタの出力電流Ｉｉｎｖ１の二乗誤差を求め、この二乗誤差が最小になるように、前記ＩＩＲフィルタの係数を逐次増減制御する制御手段を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、負荷電圧Ｖｌｏａｄと高調波補償電流指令値Ｉｒｅｆ０に対して、ＡＣフィルタの回路定数で決まる係数をもつ伝達関数を有するＩＩＲフィルタ処理を行い、電流指令値Ｉｒｅｆ０と実際のＡＣフィルタ出力電流Ｉｉｎｖ１の二乗誤差が最小になるように、ＩＩＲフィルタの係数を逐次増減制御するようにしたため、アクティブフィルタと負荷の間に介挿するＡＣフィルタの回路定数が設計値とは異なる値になった場合にも、電流指令値通りに常に高調波補償電流を一致させた高精度制御ができる。

図１は、本発明の実施形態を示す高調波電流補償指令値作成ブロック構成図である。なお、図１は、Ｔ型のＬＣＬ構成のＡＣフィルタを介挿した高調波電流補償装置に適用する場合であるが、ＬＣ構成のＡＣフィルタとする場合など、他のＡＣフィルタを介挿した装置に適用できる。

図１中、ＩＩＲ（無限インパルス応答）フィルタ７０は、ＡＣフィルタの影響を除去するための、負荷電圧Ｖｌｏａｄと電流指令値Ｉｒｅｆ０に対して、ＡＣフィルタの回路定数で決まる係数をもつ伝達関数を有してＩＩＲフィルタ処理を行う。

二乗誤差演算部７１は、目標値である電流指令値Ｉｒｅｆ０と実際のＡＣフィルタの出力電流Ｉｉｎｖ１の二乗誤差を求める。係数制御部７２は、演算部７１により求める二乗誤差が最小になるように、ＩＩＲフィルタ７０の係数（ＡＣフィルタの回路定数）を逐次増減制御する。以下、演算ブロック２０〜７２によるＩＩＲフィルタ構成と高調波電流補償制御を説明する。

図６に示すＬＣＬ構成のＡＣフィルタの回路定数Ｌ１、Ｌ２、Ｃｆ、Ｒｆと、負荷電流Ｉｌｏａｄ、負荷電圧Ｖｌｏａｄ、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ０、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ１による回路方程式は、（１）式のように表せる。ｓはラプラス演算子である。

ここで、Ｉｉｎｖ１、及びＩｉｎｖ０の係数を（２）式のようにおく。

（１）式、（２）式から、負荷電圧Ｖｌｏａｄは（３）式のように表せる。

（３）式をＩｉｎｖ１について解くと、（４）式のように表せる。

（４）式より、ＡＣフィルタの影響により、負荷側における電流Ｉｉｎｖ１とインバータ側の電流Ｉｉｎｖ０が異なる。負荷側における電流Ｉｉｎｖ０が電流指令値Ｉｒｅｆ０になるように、ｌｉｎｖ０を以下の（５）式のように定める。

次に、（４）式に（５）式を代入すると、（６）式のようになり、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ１と電流指令値Ｉｒｅｆ０を一致させることができる。

電流制御が理想的に行われる場合、電流指令値とｌｉｎｖ０は一致するから、入力フィルタを考慮した電流指令値Ｉｒｅｆ１は以下の（７）式のようにおけばよい。

次に、双一次変換を用いてｚ変換し、ＩＩＲフィルタ７０によって、（７）式の演算を行う。まず、以下の（８）式、（９）式ようにおく。

そして、以下の（１０）式にしたがって、双一次変換を行う。

（８）〜（１０）式から、Ｈ（ｓ）、Ｇ（ｓ）は図１の構成のＩＩＲフィルタ７０で表せる。ＩＩＲフィルタの係数は以下の（１１）〜（１８）式の通りである。ただし、離散化におけるサンブリング周期をＴとする。

（１１）〜（１８）式で表せるＩＩＲフィルタの係数は、ＡＣフィルタのインダクタンス値Ｌ１、コンデンサ容量Ｃｆ、抵抗値Ｒｆ、サンブリング周期Ｔから構成される。（１１）〜（１８）式の全てにコンデンサ容量Ｃｆが含まれていることがわかる。これを利用して、目標値である電流指令値Ｉｒｅｆ０とインバータ出力電流Ｉｉｎｖ１の二乗誤差を演算部７１で求め、この二乗誤差が最小になるように、制御部７２によってＩＩＲフィルタ７０の係数を適応的に制御する。この係数制御のフローチャートは図２に示すようになり、これを参照して以下に説明する。

電流指令値Ｉｒｅｆ０とインバータ出力電流Ｉｉｎｖ１の二乗誤差は以下のように表せる。

図２において、まず、演算ステップＳ１〜Ｓ６では、ＡＣフィルタの実際のコンデンサ容量と伝達関数算出に用いるコンデンサ容量値Ｃｆに誤差がある場合を考慮して、Ｃｆをステップブサイズα分増減させる。そして、（１９）式の二乗誤差が最小になるまで、繰り返しステップサイズ分増減しながら、ＩＩＲフィルタの係数の演算、及び更新を（１１）〜（１８）式に基づいて行う。ステップサイズαは、例えば、Ｃｆに対して任意のｘ［％］に相当する値を用いる。

次に、演算ステップＳ７〜Ｓ１２では、ＡＣフィルタの実際のインダクタンス値と伝達関数算出に用いるインダクタンス値Ｌ１に誤差がある場合を考慮して、Ｌ１をステップサイズβ分増減させる。（１９）式の二乗誤差が最小になるまで、ステップサイズβ分だけＬ１を増減させながら、ＩＩＲフィルタの係数の演算、及び更新を（１１）〜（１８）式に基づいて行う。ステップサイズβは、例えば、Ｌ１に対して任意のｙ［％］に相当する値を用いる、

同様に、演算ステップＳ１３〜Ｓ１８では、ＡＣフィルタの実際の抵抗値と伝達関数算出に用いる抵抗値Ｒｆに誤差がある場合を考慮して、Ｒｆをステップサイズγ分増減させる。（１９）式の二乗誤差が最小になるまで、ステップサイズγ分だけＲｆを増減させながら、ＩＩＲフィルタの係数の演算、及び更新を（１１）〜（１８）式に基づいて行う。ステッブサイズγは、例えば、Ｒｆに対して任意のｚ［％］に相当する値を用いる。

二乗誤差が最小になり、ステップサイズ分の増減を完了するための判定を行う方法は、例えば、以下の（２３）式を満たしているかどうかで判定する。伝達関数算出に用いる回路定数Ｃｆ，Ｌ１，Ｒｆが、ＡＣフィルタの実際のインダクタンス値、コンデンサ容量、抵抗値に近づくにしたがって、二乗誤差は小さくなることを利用する。

したがって、本実施形態によれば、アクティブフィルタと負荷の間にＡＣフィルタを介挿した装置において、実際のＡＣフィルタ回路定数に誤差や経年劣化により設計値とは異なる値になる場合でも、ＩＩＲフィルタの係数を適応的に制御することで、高調波補償電流を常に電流指令値通りに一致させた高精度制御ができる。

本発明の実施形態を示す高調波電流補償指令値作成ブロック図。 ＩＩＲフィルタの係数制御フローチャート。 並列型瞬低補償装置の主回路構成例。 並列型瞬低補償装置の制御装置の回路構成図。 従来の指令値作成ブロック図。 ＡＣフィルタの一例。 従来の指令値作成ブロック図。

符号の説明

１０ 高速スイッチ
２０ 交直双方向変換装置
３０ 電気二重層キャパシタ
４０ ＡＣフィルタ
５０ 制御装置
６１、６４ 座標変換部
６２，６３ ローパスフィルタ
６５ 自動電流制御部（ＡＣＲ）
７０ ＩＩＲフィルタ
７１ 二乗誤差演算部
７２ ＩＩＲフィルタ係数制御部

Claims (1)

1. 系統電源に接続された負荷により発生する高調波電流を抽出し、この高調波電流をアクティブフィルタの高調波補償電流指令値にし、アクティブフィルタからＡＣフィルタを介して高調波補償電流を出力する高調波電流補償装置において、
   負荷電圧Ｖｌｏａｄと高調波補償電流指令値Ｉｒｅｆ０に対して、ＡＣフィルタの回路定数で決まる係数をもつ伝達関数を有するＩＩＲフィルタ処理を行い、高調波補償電流指令値Ｉｒｅｆ０とＡＣフィルタの出力電流Ｉｉｎｖ１の電流誤差を補償するＩＩＲフィルタと、
   高調波補償電流指令値Ｉｒｅｆ０と実際のＡＣフィルタの出力電流Ｉｉｎｖ１の二乗誤差を求め、この二乗誤差が最小になるように、前記ＩＩＲフィルタの係数を逐次増減制御する制御手段を備えたことを特徴とする高調波電流補償装置。

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